音频虚拟仪器软件系列 - Adobe Audition

199252546 · 发表于 2010-5-14 11:54:29

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信号发生器是电子爱好者常用的工具，然而一般传统的信号发生器都难以产生特别精确的简谐波形（倒是方波、三角波容易些），复杂的函数就更不要说了，需要花费巨额资金去实现。现在好了，利用现代计算机强大的计算能力、Adobe Audition软件的灵活设计和声卡的精确输出，任意的音频信号都不在话下！
1. Adobe Audition与Cool Edit
现在说Adobe Audition可能了解的人不多。但要说起CoolEdit，只怕知道的不是少数，而且许多人接触过这个由SyntrilliumSoftware公司出品的著名的音乐编辑软件。事实上《无线电》在2002年就介绍过Cool Edit 2000。Adobe Audition1.0其实就是由Cool Edit Pro2.1换名变化而来的，因为2003年中期Adobe公司将Syntrillium公司全部产品都收购了，用于充实其阵容强大的视频处理软件系列，其时Cool Edit Pro 2.1才发布不久。
以前对Cool Edit 2000的介绍太片面，很多实用的强大功能没有认识到。事实上CoolEdit系列软件作为音频虚拟仪器的功能都是非常强大而全面的，都能够提供高达96kHz的波形发生、图示分析分析功能（只不过一般多媒体声卡不能处理超声信号，但高级专业声卡是可以精确处理的）。特别是Cool Edit2000之后的Cool Edit Pro2.0、2.1版本，做出了许多卓有成效的改进，与我们作为虚拟仪器的使用有关的则是在波形生成和频谱分析方面有了很大进步，使得波形分析和数据处理变得十分容易，而在CoolEdit2000中则有很多局限。
Adobe Audition 1.0完全继承了Cool Edit Pro 2.1的特征，而拥有正版Cool Edit Pro2.0、2.1的用户可以免费升级到Adobe Audition1.0。如果想试用，Adobe公司提供试用版本，全部功能开通，试用期30天。大家可以到http://www.adobe.com公司网站去下载。不过官方网站的下载过程有点复杂，
2. 生成简谐波形
软件安装后打开，首先显示试用期限画面，点击“Try”按钮，就可以开始试用了。首次启动的默认界面如图1所示。

图1
这是“Multitrack View”，即多轨混排界面，一般用于音乐编排，于我们用处不大。可以点击工具栏最左边的“Switch to Edit View”（切换到编辑界面），即可变成图2所示的编辑处理界面。

图2
快来试试怎么用！在这里点击“新建波形”按钮，就会弹出图中上浮的对话框，要求你选择“SampleRate”（取样频率）、“Channels”（声道数）和“Resolution”（分辨率）。对于电脑多媒体声卡，一般用48KHz的取样频率、双声道、16bit分辨率。如果要符合CD标准，则可选取44.1 KHz的取样频率。而如果你有高档声卡，可以一直取到192KHz取样频率，32bit分辨率。
生成波形的最高频率与取样频率直接相关。根据奈奎斯特（Nyquist）取样原理，模拟波形的最高频率为取样频率的1/2。但实际上在接近1/2取样频率时软件生成的波形本身就很不正常了，因此CD标准用44.1KHz的取样频率来生成最高20KHz的信号就可以理解了。有人采用低的取样频率而抱怨最高频率有限，或虽然采用高的取样频率却希望精确输出1/2取样频率的波形，那都是不理智的。
选定参数后点击菜单栏的“Generate -〉Tones”（生成 -〉波形）按钮，即弹出图3所示的对话框，要求输入波形参数。
我们先产生一个最常用的信号，即1KHz正弦波。在“Base Frequency”（基本频率）栏目添入1000，将“Lock tothese settings only”（固定设置）选中，在“GeneralFlavor”（波形类型）栏目选择“Sine”（正弦波），“Duration”（长度）栏目添入波形长度10秒，“dBVolume”（音量，波形幅度）栏设置成-6 dB（半满幅），其余项目选择默认即可。生成的波形如图4所示。

图3

图4
窗口左下角有两个工具栏，分别是“录放工具”和“缩放工具”，都用图标表示，而且有提示，可以进行灵活自如的操作，非常容易使用，这里就不详述了。值得一提的是波形窗口的拖动缩放功能，将光标移到其底部的时间标尺上按下鼠标右键拖动，光标即变成一个放大镜标志，拖动完后放开鼠标，窗口即显示拖动过的部分。图中显示的是正在拖动的例子。另外如果用左键拖动，则是用“手”移动波形，将“手”移到标尺外侧，波形将自动滚动显示。用上述方法可以方便快捷地显示希望的部分。
显示全部波形，点击“播放”键试试，怎么样，声音放出来了吧？选择菜单栏“File -〉Save as”（文件 -〉保存为）命令，将按照跟其它标准的Windows应用程序一样的方法保存波形到文件，想必大家都会，不用详述了吧。
3. 生成调频波形
调频波的产生由三个参数决定：“Base Frequency”（基频，载波频率）、“ModulateBy”（调制带宽，调制范围）、“ModulationFrequency”（调制频率）。这三个参数的含义容易令人迷惑，而且帮助文件里的介绍也不容易理解，笔者费了很多工夫试验分析才弄明白，作出如上翻译，希望读者注意。“Modulate By”（调制带宽，调制范围）的作用是设定在基频上下的多大范围作调制，而“ModulationFrequency”（调制频率）才是真正用来调制基频的调制频率。例如，基频选1000 Hz，调制范围选100 Hz，调制频率选50Hz，将产生在900 Hz至1100 Hz间以50 Hz步长被50Hz调制的调频波（实际上带外要产生谐波调制，不过衰减较快）。一般情况下调制范围与调制频率接近即可，虽然这样不容易看清调制的情况，但更接近实用。如果单作为演示看，可以加大调制范围，调制频率取1/10基频。例如基频选1000 Hz，调制范围选500Hz，调制频率选100Hz，生成的波形如图5A所示，疏密相间的频率调制波形很直观。如果调制范围选得太小，则调制幅度小，但频率成分很纯，反之调制幅度大但频率成分很杂，如果调制范围选0，则不会发生调制（所以我们在生成正弦波时不必理会调制频率）。

图5
4. 生成调幅波形
用AdobeAudition产生调幅波同样很方便，不过要分两步走。第一步，将基频设定成预期值，调制范围和调制频率设为0，产生基频；第二步，将第一步产生的基频全部选中高亮（即刚生成波形时的默认状态），点击“GenerateàTones”，在弹出的对话框中选值，基频与第一步相同，调制范围和调制频率设为预期值（二者相同将产生单频调制，调制范围小调制弱，而调制范围大时则为多频调制），再选中对话框下部中间部分的“Overlap(mix)”(重叠混合)选项，另外音量设置不能太高，否则容易发生削顶失真。可以进行二次、三次调制，产生复杂的调制波形。例如基频设定1000 Hz，调制范围选100Hz，调制频率选100Hz，音量设置选-9 dB，产生的波形如图5B所示。
另外一种调幅波产生方法将产生过零的调幅波。在第二步基频设定100Hz（1/10基频），调制范围选0，然后选中对话框下部中间部分的“Modulate”（调制），即可产生图5C所示的调制波形。这样产生的调幅波可以用同样的设置再执行“DeModulate”（解调）来还原。而这时如果执行“Overlap(mix)”（混合）命令，将得到图5D所示的复合音。
5. 生成扫频
音频扫频仪是测试音响系统非常需要的设备，以前我们个人很难有条件拥有高精度的扫频仪，而如今，用Adobe Audition产生扫频易如反掌！
产生正弦波时将“Lock to these settings only”解除选定，将变为图6所示的界面。在这里你可以设定“Initial Settings”（开试设置）和“Final Settings”（结束设置）两个页面。

图6
初试设置与产生单频正弦波一样，而结束设置则增加了一个“LogSweep”（对数扫描）点选框，将其选中，即可产生扫描速度对数增加的扫频信号。其好处是低频与高频的波形个数是一样的。而如果不选则产生线性扫频信号，需要很长的时间才能产生低频完整波形。我们将开始频率设为20Hz，结束频率设为20KHz，产生一段10秒的对数扫频，其前3秒的波形如图7所示。

图7

199252546 · 发表于 2010-5-14 11:55:58

6. 生成三角波、方波
在“General Flavor”（波形类型）栏目有四个点选项目，即“Sine-Triangle/Sawtooth-Square-Inv Sine”（正弦-三角/锯齿-方波-反正弦），选择“三角/锯齿”或“方波”，即可方便地生成需要的波形。
这时窗口频率设置项下方的“FlavorCharacteristic1”（波形特征）将变成图8A、8B所示的样子，在这里你可以自由设置三角/方波的特征。图8A为三角波设置参数。可以填入0至100的数值来决定三角波上升时间比例。50%为纯粹的三角波，而0%或100%则成为下降/上升的锯齿波。图8B为方波设置参数。可以填入0至100的数值来决定方波正值所占时间比例。

图8
7. 生成复合音
复合音可以产生很多奇妙的效果，检测音频设备的互调失真也很有用。复合音是由基频和多至四个的“FrequencyComponents”（频率组件）构成的。事实上上述图5D所示就是复合音，由此可见复合音的产生也是有多种方法的，不过复杂的复合音还是以下方法好用。参考图9 ，这是软件预设的“Bell”（钟声）的构成情况，由基频220Hz正弦波100%幅度、第一组件1.02倍基频28%幅度、第二组件0.98倍基频14%幅度、第三组件4倍基频22%幅度、第四组件7倍基频39%幅度组成，然后经1.5 Hz调制频率在2 Hz带宽内调频，右声道延迟15°相位构成，变化至结束时各参数均改变，请参考实际应用，此处不再详述。

图9
对我们的虚拟仪器应用来说，能够产生几个纯音复合就够用了，不必进行复杂的调制和变化，那样反而不容易分析。我们也可以将自己编辑的复合音设置保存起来供调用。点击“Presets”旁的“Add”键即可添加保存。
8. 技巧进阶
根据上述内容，想必大家已能领略到Adobe Audition生成波形的强大威力了。不仅如此，配合下述的技巧和以后介绍的编辑功能，你真的能产生几乎任意想要的波形，说“万能”并不很夸张。
在生成正弦/反正弦波形时，“Flavor Characteristic1”框内可以填入任意的实数来决定波形的指数。默认的“1”当然是基本波形了，我们甚至可以填入小数、负数来产生任意次方的波形！
“Phasing”（相位）栏可以设置波形的相位特征。这里你可以设置“Start Phase”（开始相位，指左声道）、“PhaseDifference”（相位差）和“ChangeRate”（变化率）是指右声道相位相对于左声道的相位差和变化率。如果设定了相位变化率，频率也会随着变化。
在“Generate”菜单栏还有三个项目，分别是“Silence”（静音）、“DTMF Signals”（双音多频信号）和“Noise”噪音。
“静音”即数字0信号，可以在波形片段间插入绝对静寂。而“双音多频信号”即电话拨号音，你只需输入数字和字母即可得到标准的电话拨号音，甚至可以自由设计双音多频信号的特征！

图10
“噪音”也需要产生？！是的，这可不是随随便便的噪音，而是频谱非常精确的噪音！如图10所示，你可以选择噪声的“Color”（颜色）为“Brown”（褐噪声）、“Pink”（粉红噪声）或“White”（白噪声）。这是借用了光谱分析中的术语而得来的，因为它们与对应的颜色频谱规律类似。褐噪声的频谱线幅度随频率增加而以-6dB/oct（每倍频程-6dB）的斜率衰减，而粉红噪声则为以-3dB/oct（每倍频程-3dB）的斜率衰减，白噪声则保持恒定。这里产生的噪声频谱极宽，全部为从0至1/2取样频率，使用时要注意防止损坏被测设备。如果希望只用音频范围，可以用以后介绍的编辑方法处理。
“Style”（类型）是针对双声道间的关系而言的。在“SpatialStereo”（空间立体声）输入框内填入数值可以产生相关的立体声噪音，而“IndependentChannels”（独立声道）则产生互不相干的两声道，“Mono”（单声道）则两声道相同，“Inverse”则两声道间反相。怎么样，模拟设备做不到吧？
“Intensity”（强度）用来设定噪声的总幅度。只有粉红噪声才能设到最高值40，白噪声和褐噪声必须分别限制在12、18以下，否则会发生削顶失真。还有一些项目未能尽述，大家可以参考帮助文件自行探索。

示波器是了解信号特征非常有用的仪器，是几乎与万用表一样通用的基本测量设备。然而对于业余爱好者，示波器的普及率远远比不上万用表，原因很简单：太昂贵。特别是数字存储示波器，一般人更是可望而不可即。现在，我们利用电脑强大的处理能力和声卡高精度的AD/DA界面，加上AdobeAudition强大的录制和显示功能，数字存储示波器的功能即可轻易实现！

1.波形录制及存储

用AdobeAudition当作示波器时，首先我们需要指定波形输入的通道，跟使用示波器指定通道类似，不过可选的通道更多，更复杂。打开Windows的“控制面板=>声音和多媒体=>音频=>录音=>音量”，在“录音控制”窗口中将“MicVolume”选中，即可通过麦克风端口输入信号。接好麦克风，准备录音！（如下图）

打开Adobe Audition程序，进入编辑处理界面。这时“录放工具”栏只有“Record”按钮是激活的，其它按钮都变灰不可操作，波形窗口也是灰色无任何内容。这时点击“Record”按钮即可开始波形录制及显示。（如下图）

与新建波形一样，录音开始前会弹出对话框要求选择取样频率、声道数和分辨率。当然也可以先新建空波形再录音。不过一般多媒体声卡的麦克风输入都是单声道的，即使选择立体声也只有左声道有输入信号，但程序会将波形同时输入到右声道录制下来。（如下图）

点击“OK”按钮，开始录音！说一句“欢迎使用Adobe Audition”，然后点击“停止”按钮，录制完的声音波形便在波形窗口显示出来了。（如下图）

2.线路录音

有朋友要说了，你这是“录音机”，不是“示波器”！呵呵，往下看！一般我们用示波器都是直接输入电信号，现在我们就试试！在“录音控制”窗口中选择“LineIn”即线路输入端，即可输入电信号显示。一定注意，如果电信号电压比较高，需要另加衰减和保护电路，否则很容易烧坏声卡！衰减用一只合适的电位器即可，保护电路可以参考我的《用RMAA测试和设计音箱》一文。

如何调整到合适的输入电平呢？窗口下部的电平表可以给你指示。调节Windows的“控制面板à声音和多媒体à音频à录音à音量”，在“录音控制”窗口中调节线路输入的音量滑块，使电平表的平均值指示在-6dB至-3dB即可。一般不要使输入音量过大，否则容易发生过载，产生削波失真。如果不小心关闭了电平表，可以选择“ViewàShow LevelMeters”或按“Alt+7”键来打开。（如下图）

这样我们就可以输入音频范围的任意波形来察看了。比如我们在电子学习中最基本的内容之一，RC滤波和LC滤波，以往我们只是理论上学习和分析，没有直观的认识，现在就让我们来看看“庐山真面目”！（如下图）

首先打开一个Adobe Audition程序作为“信号发生器”用。还记得怎么产生复合音吧？这里我们就试试生成60/7000Hz的复合音信号。点击“GenerateàTones”，选中“Lock to these settingsonly”，基频设为60Hz，第一频率组件X1，幅度100%；第二频率组件X116.666，幅度100%；总音量-6dB，长度0.5秒。生成的波形如图所示。（如下图）

生成立体声信号是为了用一个声道作为标准参照，更容易理解信号处理前后的特征。点击“播放”按钮，信号将从声卡线路输出端输出。

将右声道信号接到图示的高、低通滤波器上，输出端将输出滤波后的高/低频信号，这里分别是60/7000 Hz，接到声卡线路输入端即可用Adobe Audition显示出来。（如下图）

这里有个问题，程序与录音机类似，“播放”与“录音”是不能同时操作的，那么我们如何进行录音呢？很简单，再打开一个程序窗口作为“示波器”用就可以啦！（大部分Windows程序都可以打开多个窗口操作，只有少数例外）。在WIN98下会弹出一个窗口警告，“不推荐在此操作系统下打开多重Audition 程序窗口，是否继续？”别理会，点“Yes”打开就是了，不会出什么问题的。（如下图）

先在第二窗口点击“录音”按钮，然后切换到第一窗口点击“播放”按钮，再回到第二窗口，等播放完毕点击“停止”按钮，即可看到录制完的波形。这是低通滤波后的波形。（如下图）

这是高通滤波后的波形。（如下图）

199252546 · 发表于 2010-5-15 07:48:38

3.波形显示控制

可以看到，AdobeAudition“软示波器”与真实的示波器不同之处在于难以实时显示波形细节，但实际上将波形全部录制下来再慢慢看具有更大的优越性。而AdobeAudition的波形显示功能是极其强大和完善的，你可以一直放大到以单取样点长度的分辨率来显示，这对于模拟仪器来说是“不可能完成的任务”。另外显示的模式也是多种多样的，十分方便于各种不同的用途。

将光标移到波形窗口的水平标尺上点击鼠标右键，弹出选择窗口。你可以选择“Display Time Format”（时间显示模式）、“Snapping”(捕捉)、“Zooming”（缩放）三个选项。（如下图）

在“时间显示模式”栏目可以选择多达10种显示方式，不过其中大部分是为了适应通用的音频、视频格式而设置的。对我们作为虚拟仪器的应用，只有两种是适用的，即一般默认的“Decimal”（小数）和“Samples”（取样点）。“小数”即以时/分/秒的格式显示，时间短时以小数值显示秒；而“取样点”显示方式是以每秒若干点的格式来显示的，点数等于波形的取样频率值。（如下图）

“捕捉”栏可以选择选取波形时捕捉到的方式，具体应用以后结合编辑操作详述。“缩放”栏可以选择缩放操作方式，与“缩放工具”栏的按钮作用是一样的，具体应用很容易理解，一试就会！（如下图）

将光标移到波形窗口的垂直标尺上点击鼠标右键，弹出选择窗口。（如下图）

你可以选择“Sample Values”（样本数值）、“Normalized Values”（标准化值）、“Percentage”（百分值）、“Decibels”（分贝值）来显示垂直坐标，并可以自由缩放。

在水平/垂直标尺上用右键拖动选取加左键拖动移动的方法可以很快选取和移动到想要查看的部分。放大的极限是单取样点。（如下图）

4.方波、三角波示波

方波、三角波实际是属于脉冲类的波形，在电子电路中一般是以它们的负波峰作为0参考电位的。但是我们用的声卡是交流设备，无法输出和输入直流信号成分，因此输出和输入方波、三角波都是以其平均值中点为参考电位的。

将声卡的“线路输出”和“线路输入”端用对录线直接相连，即可直接录制Adobe Audition产生的方波、三角波，从而可以仔细考察声卡输出和输入方波、三角波的情况。

这是100Hz方波用创新Vibra128录制的波形。稍有变样。（如下图）

这是100Hz三角用创新Vibra128录制的波形。基本上没变样。（如下图）

再看看低频信号。5Hz方波录制显示的情况。（如下图）

5Hz三角波录制显示的情况。（如下图）

咦，怎么波形完全变样了？对，这就是由于声卡的输出/输入带宽有限所致。在《用RMAA测试和选择声卡》中我们可以看到，创新Vibra128的频率响应曲线低频端从30Hz就开始衰减，到20Hz处衰减斜率已经相当大了，不能正确反映5Hz的波形也就理所当然了。

所以我们在使用中一定要对声卡的性能指标了如指掌，方能做到合理运用，正确分析。一般多媒体声卡的输入波形带宽都应该限制在20Hz至20KHz间，才能得到正确的波形显示。不过有些例外，例如CMI8738的频率响应就非常好，从接近0Hz一直到22KHz频响曲线几乎是一条直线（可惜其它指标不太理想，否则就可以媲美高档的专业声卡了）。用这样的声卡显示低频信号正合适。这是CMI8738声卡5Hz方波录制显示的情况。三角波就省略了吧，看起来跟原始波形没什么差别。（如下图）

5.单脉冲及脉冲响应示波

理想的单脉冲是没有时间长度的，也就是说它的幅度在趋向于0的时间内即可达到额定值然后立即降为0。实际上这样的信号当然是不存在的。实用的单脉冲一般是很窄的方波、三角波的半周波形。

脉冲信号是一类特殊的信号，其产生、录制、分析都有一定的要求，否则容易得出错误的结果，培养出错误的观念，这点必须注意。

脉冲产生电路有很多，像555集成电路就可以方便地产生单脉冲、连续脉冲。用手直接碰接电源的方法不科学也不准确。这里用一个简单的机电式电路来产生单脉冲。如图所示，先将电容C接入12V电源充电，然后接入继电器电路，使继电器短暂吸合再断开，电路输出端便输出一个脉冲。（如下图）

这个脉冲的特点是电压低，内阻低，驱动力强，不过不容易做到时间短。将此脉冲直接录制下来可以看到其宽度约50毫秒，由图中可以看出，脉冲从O点开始，达到峰值A点后，声卡输入电容充电电流开始减小，波形幅值开始回落，到B点脉冲结束，电容开始放电，形成一个负峰值C，放电以较缓慢的速度结束，到光标处D点基本回0。进一步的实验研究表明负峰值的幅度与AB点间的差值相等，X轴上下部分的包络面积相等，即总的波形没有直流分量，脉冲越窄，负峰值反应越小。（如下图）

再看一个由电容放电产生的脉冲波形。将一个100微法的电容充电至1.2伏，然后接入正在录音的声卡输入端，得到如图所示的波形。可以看到，脉冲没有明确的结束点（实际上是一个宽三角波），声卡输入电容放电的开始也没有形成反峰值，这是由于外接电容吸收了放电峰值所致，由此可见输入电阻大时用大电容产生脉冲是不可取的。（如下图）

清楚了纯脉冲录制波形的特性，有助于正确认识和分析脉冲反应波形的特征。如图所示，这是一只8英寸口径扬声器接受上述方波脉冲冲击的电反应波形记录。注意应该选择大口径低频扬声器，否则其后沿振荡反应不明显，容易产生误解。由上述波形我们可以分析出扬声器的脉冲反应特性是调制在纯脉冲录制波形上的振荡波形。（如下图）

一个特例是接入扬声器后由于输入端电阻很小，可以用一只较小的电容充电作为脉冲源使用，将产生很窄的脉冲，得到近于真实的扬声器脉冲反应曲线，如图所示是用100微法的电容充电至1.2伏冲击上述扬声器的结果。（如下图）

上述扬声器脉冲反应的后沿开始都有一条很陡很窄的负峰值线，这是扬声器音圈电感产生的感应脉冲。

如果用大电容作为脉冲源使用，而且扬声器口径太小，几乎无后沿反应，则容易将声卡输入电容放电波形误认为是扬声器的后沿反应，这是不正确的。（如下图）

所有的上述实验现象都可以归结到一个理论问题：电路的时间常数。大家可以参考有关的电子学教材和书籍，这里就不再详述了。

199252546 · 发表于 2010-5-15 17:00:48

6.直流示波

AdobeAudition是可以产生和记录直流信号的。不过需要一些技巧。直流信号可以用产生方波的方法做出来。在产生方波时，将基频设定为很小的值（AdobeAudition基频数值输入框只能显示6位数，但是你可以在“0.”小数点后输入N个0，最后再填1，得到一个非常非常小的数值。“N”可以填很多很多，但软件保存的有效位限制是7。）长度几秒至几十秒，即可得到全部是峰值的直流信号。（如下图）

但是直流信号的输出和录入却不那么容易。因为一般声卡都是一个交流设备，它并不能正确地输出和录入直流信号，而且一般声卡在20Hz以下就有严重衰减。即使像8738这样低频特性好的声卡，还是不能直接录制直流信号，因为它的输出输入端都含有隔直电容。

实验表明8738的内核是支持直流信号处理的（其它常见的声卡都不支持），在WIN98下可以正确处理直流信号（不过在WIN2000和WINXP下一般信号的录制都有问题，更别提直流了。笔者至今尚未找到在WIN2000和WINXP下反应良好的驱动）。只要将其输出输入端的隔直电容换成100欧电阻，然后将地端断开接到1/2VCC电压，即可输出和输入直流信号。改接前后的电路如图所示，为了简便，只画出一声道。
改接前（如下图）

改接后（如下图）

这是改动前的8738声卡录制的0.5Hz三角波。（如下图）

这是改动后的8738声卡录制的0.5Hz三角波。（如下图）

能够正确处理直流信号，就可以对一些变化缓慢的信号进行测控，例如直流电压、温度、湿度、位置、压强、压力……等等，只要用合适的传感器将变换后的电信号输给声卡即可。这样可以极大地扩展该虚拟仪器系统的用途。

频谱分析仪是研究信号频谱特征的仪器，在电子技术一日千里的今天，是研究、开发、调试维修中的有力武器。现代频谱分析仪都趋向于智能化，虚拟仪器技术广泛应用，有些就是以专用的计算机系统为核心设计的。其结果是结构大大简化、性能飞速提高。当然专业的频谱分析仪就比示波器更加昂贵了，业余爱好者更难用上。不过不必灰心，我们可以充分利用Adobe Audition的频谱分析功能，让你拥有精确频谱分析仪的美梦成真！

1. 频谱显示模式

AdobeAudition本身有一种“频谱显示”模式。先打开一段波形，或用《妙用AdobeAudition：数字存储示波器》一文介绍的方法录制一段波形，即可进行频谱分析。这里我们新建一段20秒的对数扫频信号（本文大多选用直接建立的波形，以便了解信号原始波形的标准频谱特征），然后选择“View=>SpectralView”（视图=>频谱），如图1，或点击快捷工具栏的“Toggle between Spectral and Waveformviews”（切换频谱视图/波形视图）按扭，即可将波形以频谱显示的方式显示出来，如图2。扫频的频谱显示见图3。

图1

图2

图3
可以看到，横轴为时间，纵轴为频率指示。每个时刻对应的波形频谱都被显示出来了，可以看到扫描速度是指数增加的，即将频率轴取对数时扫描速度是线性的。如图中光标处18秒处频谱指示约11KHz。实际上频谱指示的颜色是代表频谱能量的高低的，颜色从深蓝到红再到黄，指示谱线电平由低到高的变化。这实际上跟地图的地形鸟瞰显示是比较相似的，看图4频谱复杂变化的声音频谱就更容易理解这点了。

图4
2. 频谱分析操作
“频谱显示”模式虽然能大致显示出波形频谱分布的情况，而且能给出时间方面的特征，但是从精确分析的角度讲就难以满足要求了，这时我们就要用到Adobe Audition的“频谱分析”功能。打开一段波形，例如上述的扫频，点选“Analyze=>Show FrequencyAnalyze”（分析=>显示频谱分析）即可打开图5所示的频谱分析窗口。

图5
默认的窗口比较小，而且分析结果比较粗糙。选中“LinearView”（线性视图）时频率标尺是线性刻度的，这时低频段显示很少，不符合常规要求，可以取消选定，频率标尺将以对数刻度显示。左下角的选择条可以让你选择“Lines”（线条）、“Area”（区域）、“Bars”（条状）来显示频谱，一般选择线条为好，否则前面的都会盖住后面的频谱。虽然窗口没有“最大化”操作按扭，但我们将光标移到窗口右下角就会变成图示的双箭头，这时按住鼠标左键拖动，即可将窗口放大，然后点到顶端蓝条拖动即可移动窗口，这样你可以一直放大到满屏幕。（提示：许多Windows程序都可以这样操作）。将波形全部选中，可以执行“Scan”（扫描）操作（提示：不选中不能扫描！），将整段波形的总频谱显示出来。图6就是上述扫频的总频谱曲线。

图6
点击“Advanced”（高级）按扭，即可打开几个高级设置选项，如图7。

图7
在“Reference”（参考电平）栏可以填入任意值来作为参考电平。而“FFTSize”（FFT样本数）可以设置FFT分析的样本数值，即将每秒长度的波形分成若干份来分析。当然数值越高，频率分辨率越高，最高可以设到65536（这时可以将48 KHz取样的波形精确到0.732Hz的步长来分析）。滤波类型选择窗口可以选择五种FFT分析滤波窗口类型。不同的窗口具有不同的特性，可以参考软件帮助文件使用，一般我们用“Blackmann-Harris”即可。点击“Copy toClipboard”按扭可以将频谱分析数据拷贝到剪贴板。然后你可以将它粘贴到其它软件中进行处理，例如微软的Excel电子表格软件就可以很好地处理。不过这时我们一般不要将“FFT Size”设得太大，否则数据量庞大，处理不便。
3. 解读频谱分析结果

你是否对上述扫频频谱分析结果感到迷惑不解？明明我们产生扫频时设定的波形幅度是恒定的，为什么分析结果却成了随频率增加而衰减？要揭开这个迷团，必须对FFT频谱分析的实质有深入的了解。

与传统的模拟频谱分析仪不同，计算机FFT频谱分析是基于“能量累积”的计算而得到的，由标准的FFT计算公式就可以看到它是一个相对于时间的积分公式。对于对数扫频这样频率成分比例随时间变化的信号，后期分析是针对整段波形的，其结果就是谱线幅度由该频率波形所占时间比例来决定，因此产生上述的结果。如果扫频是线性扫描的，结果自然就是一条水平直线。这是AdobeAudition的后期分析特点。其优点是对硬件要求低而可以慢慢分析，得出精确的分析结果。如果用实时分析，精确分析对硬件速度要求是比较高的。我们应该用“能量”的观点来解读分析结果。即频谱曲线指示出一段信号中各频点的能量分布情况。对此我们要有清醒的认识，否则会做出错误的判断，得到错误的结论。特别的对于音乐信号，高频段所占能量比例一般不大，却可能出现幅度相当大的尖峰。

如果是实时分析模式（即“频谱显示”模式的样子，可惜精确分析时不具备该功能，要得到精确的实时分析结果，还需要用到本系列软件的下一个更专业的软件），对数扫频与线性扫频结果就是一样的，只不过扫描速度有差别而已，跟模拟频谱仪的等带宽滤波分析一样。如果各信号成分是同时给出的，并且是均匀分布的，例如粉红噪声、白噪声、复合音、调频信号，实时分析与后期分析的结果就一样了。
4. 频谱分析示例

了解了软件的操作技巧和分析特征，有助于充分了解实践中的分析结果。现在就让我们来做几个常见波形的频谱分析实验。图8是100Hz三角波的频谱。奇数倍的谐波幅度以-12dB/oct（每倍频程-12dB）的斜率衰减。

图8
图9是100Hz方波的频谱。奇数倍的谐波幅度以-6dB/oct（每倍频程-6dB）的斜率衰减。

图9
图10为粉红噪声频谱。频率成分是连续的，以-3dB/oct（每倍频程-3dB）的斜率衰减。

图10
再看看调制波形的频谱。用《妙用AdobeAudition：万能信号发生器》一文中介绍的方法生成基频1000Hz、调制频率和调制范围50Hz的调制波形，频谱特性图11。这是一个调频/调幅波形的频谱。可以看到实际发生了基波与调制频率的二、三次谐波调制，如果调制范围选得大，谐波将增加很多，频率组件的幅度对比也会发生很大变化。

图11
图12是过零调幅波形的频谱。频谱成分很纯，只有基频加减调制频率得到的两个值。

图12
到这里我们必须澄清一个问题，即标准的调频、调幅波到底是怎样的？为什么上述生成的调频、调幅波没有给出纯粹的单频调制结果？根据电子学的相关知识，对于调频波，是不可能产生纯粹的单频调制的，只能靠缩小调制带宽的方法来尽量抑制谐波调制（调制带宽与调制频率的比值称为调制系数，模拟调频广播实用中远小于1），但结果是调制频率与载波频率的幅度比大幅缩小，效率降低。图13就是将上述波形的调制范围缩小到5Hz时的频谱。谐波调制成分少了，但信号/载波的比率已经降低到-24dB以下。

图13
实际应用中，不可能为了抑制谐波调制而无限制地缩小调制范围，因为那样必然造成信噪比的急剧下降，结果反而更坏。因此必然是权衡、妥协和优选而得到一个折衷的方案。你肯定对调频广播中特有的“沙沙”噪音印象深刻吧，这很大部分就是由于存在高次谐波失真而造成的。但是对于调幅波，理论指出确实是可以产生纯粹的单频调制的。这说明我们以前产生调幅波的方法有问题。为此笔者认真反思，找到了正确的调幅波产生方法。在产生“过零调幅波”时，将第二次的调制频率设定“DCOffset”（直流偏置）为50%至100%，然后执行“调制”选项，将得到纯粹的调幅波。如图14，波形看起来跟以前的方法产生的差不多。

图14
但是频谱却有区别，见图15，只有基频和基频加减调制频率得到的两个频率成分。这才是真正的标准调幅波。（这时也就将软件选项命令的涵义澄清了：“Overlap(mix)”就是“重叠混合”，不具备调幅功能，虽然用调频波混合的方法可以产生不严格的调幅波；而“Modulate”才是真正的调幅命令。）

图15
图16是复合音的频谱。这时实际上根本没有发生调制，只不过是简单的混合。这也正是测试互调失真时用复合音信号的原因所在，本身不存在调制，才能更好地测量调制产生的失真。

图16
再看看脉冲频谱。图17是一个宽度为20微秒的单脉冲波形。极限放大到单取样点显示。

图17
它的频谱曲线是连续的，平直地延伸到40KHz以上，如图18。这就是声学测量中用短脉冲测试频响的根据。而且它有一个非常大的优点：可以用一个时间窗口来滤除反射波，在普通环境中得到类似于消声室的结果。

图18

199252546 · 发表于 2010-5-17 07:14:52

5. 频谱对比分析

如果我们想对比两个或几个波形的频谱特征，该怎么办呢？不必发愁，Adobe Audition为你考虑得很周到！看到频谱分析窗口右上角的“Hold”字样和“1、2、3、4”四个按扭了吧，它们就是为你锁定谱线对比显示而设计的！

打开一段波形例如上述的扫频信号，打开频谱分析窗口，点击波形窗口的一点，频谱分析窗口马上显示出该点频谱分析的结果。点击任一个“Hold”键，频谱曲线将以该键对应的颜色锁定。点击波形另一点，得到另一个频谱曲线，再点击另一个“Hold”键，将其锁定……这样将四个频谱曲线锁定后，还能够显示另一条“活”的频谱曲线。图19是任意选定上述扫频波形中四点频谱曲线锁定后并显示另一条频谱曲线的情况。

图19
另外一种操作方法是锁定一条频谱曲线，然后打开另外一个波形来进行频谱分析，频谱曲线将在同一窗口对比显示，这样你就可以进行多达五个频谱曲线的对比研究了。打开多个波形而且正确显示频谱对比的前提条件是：它们的取样频率必须相同。否则虽然也能够锁定频谱曲线，但对应的频率标尺将发生变化，失去对比的准心。图20是包含声卡本底噪声、频率响应、互调失真、总谐波失真四个频谱曲线对比的图例。

图20
6. RMAA测试信号分析

在此前RMAA测试软件的介绍中，笔者曾提到RMAA的测试信号特征，其实就是根据AdobeAudition的频谱分析结果得出的结论（当然包括软件作者在帮助文件中的说明），现在就让我们一起看个究竟。将RMAA测试信号保存为WAV文件，用Adobe Audition打开，波形如图21：

图21
第一段为校准/同步信号，为一段1000 Hz纯音。第二段为频响测试信号，从波形看像白噪声，其实并不是。频谱分析结果如图22：

图22
可以看到频谱是不连续的，各频率间幅度关系也不平衡，这是为了接近实际的音乐平均频谱而专门设计的。正因为如此，RMAA的频响分析才需要用录制信号的频谱与原始频谱比较而得出频响曲线。而如果用标准的白噪声信号测试，只需直接显示录制信号的频谱，因为白噪声信号的频谱本身是一条水平直线，比较不比较没有什么差别。第三段为静音，用来测试本底噪声。第四段为-60dB的1000Hz纯音信号，用来测试动态范围。该段电平低，需要大幅放大才能看清，如图中圆角方框内所示。第五段为0dB的1000Hz纯音信号，用来测试总谐波失真。第六段为互调失真测试信号，它和总谐波失真测试信号都是可以自由设定的。图23是软件默认的测试信号频谱：

图23
第七段为通道分离度测试信号。看起来与频响测试信号一样，实际上有区别，如图24所示，这里各频率成分的幅度是一样的。

图24
可以看到，波形显示（时域分析）和频谱显示（频域分析）是反映信号特征的两个重要手段，二者结合将对全面了解信号特征起到强有力的作用。实际上对于双声道信号，还有一个重要的研究手段——相位特性测量，Adobe Audition也可以做得很好，放到下一篇结合AdobeAudition的编辑功能讲解。

yinxiangren · 发表于 2010-6-7 07:51:55

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